用于确定雷达目标的相对速度的雷达传感器和方法与流程

本发明涉及用于确定雷达目标的相对速度的一种雷达传感器和一种方法。

背景技术：

出版文献de102014212280a1公开一种具有fmcw(英语：frequencymodulatedcontiniouswave：频率调制连续波)雷达传感器的雷达测量方法。尤其提出，发送具有彼此交错的多个序列的频率斜坡的雷达信号。

出版文献de102014212284a1公开一种多输入/多输出(mimo)fmcw雷达传感器。各个发送天线的雷达信号以时分复用方法发送。

在汽车领域中对雷达传感器的要求持续地增加。在角度确定中尤其要求越来越高的精度和分辨率。在此，mimo原理允许改进，因为在此多个发送器和接收器共同地用于角度估计。然而，发送器必须以多路复用方法来运行。为此，时分复用、码分复用或频分复用是可能的。这允许：分离发送器并且在进行合适的分配的情况下改进精度和分辨率。

技术实现要素：

本发明提供一种具有权利要求1的特征的用于确定雷达目标的相对速度的方法和一种具有权利要求7的特征的用于确定雷达目标的相对速度的雷达传感器。

因此，设置：

一种用于确定雷达目标的相对速度的方法。该方法包括以下步骤：

借助多个发送天线元件发送经相位调制的发送信号。为此，产生经斜坡状地频率调制的发送信号，所述发送信号具有时间上彼此交错的多个序列的斜坡。在相应的序列内的斜坡以预先确定的时间间隔时间错开地彼此相继。对于每个发送天线元件，以谐波码(harmonischecodes)对所产生的经斜坡状地频率调制的发送信号的相位进行相位调制。

接收对所发送的经相位调制的发送信号的响应信号。

通过所接收的响应信号的基带信号的二维傅里叶变换来计算发送信号的每个序列的二维谱。逐斜坡地进行第一维度中的变换。在第二维度中通过斜坡索引进行变换，该斜坡索引对该序列内的斜坡进行计数。

求取雷达目标的相对速度值，所述相对速度值从所计算的二维谱的一个中的峰出发以预先确定的速度周期呈周期性。

辨识在相同的位置处二维谱的值之间的相位关系与相对速度的所求取的值中的多个的可预期的相位关系的一致性。

基于相位关系的所辨识出的一致性来选择雷达目标的相对速度的估计值。

此外还设置：

一种用于确定雷达目标的相对速度的雷达传感器。该雷达传感器包括多个发送天线和一个信号发生设备。信号发生设备设计用于产生经斜坡状地频率调制的发送信号并且将所述发送信号提供给发送天线。发送信号具有在时间上彼此交错的多个序列的斜坡。相应的序列内的斜坡以预先确定的时间间隔时间错开地彼此相继。对于每个发送天线元件，以谐波码对所产生的经斜坡状地频率调制的发送信号的相位进行相位调制。此外，雷达传感器还包括接收天线和分析处理单元，该接收天线设计用于接收对所发送的经相位调制的发送信号的响应信号。该分析处理单元设计用于基于所接收的响应信号求取雷达目标的相对速度值，所述相对速度值从所计算出的二维谱的一个中的峰出发以预先确定的速度周期呈周期性，辨识在相同的位置处二维谱的值之间的相位关系与相对速度的所求取的值中的多个的可预期的相位关系的一致性；以及基于相位关系的所辨识出的一致性来选择雷达目标的相对速度的估计值。

本发明的优点

本发明的构思是借助码分复用对联合采样fmcw雷达的各个发送路径的发送信号的相位进行编码。为此尤其使用谐波码。借助谐波码的相位调制导致要估计的速度的附加的多义性。同样也可以解决这些多义性。

这允许在同时分离发送器用于雷达目标的角度估计的情况下进行雷达目标的速度估计。码分复用相对于时分复用具有以下优点：在发送器之间不发生时间偏移。因此，对象运动不导致必须附加地校正的相位偏移。

根据一种实施方式，该方法包括以下步骤：将响应信号分配给多个发送天线中的一个。基于该分配可以进行所探测到的雷达对象的角度估计。

根据一种实施方式，在一个序列的斜坡内，斜坡具有相同的斜坡斜率并且具有斜坡中心频率的相同的差。具有相同的斜坡索引的斜坡在彼此交错的斜坡中分别具有相同的斜坡斜率和相同的斜坡中心频率。斜坡中心频率尤其可以不等于零。

根据一种实施方式，对于各个发送天线，根据发送天线的数目匹配用于发送信号的相位调制的谐波码。例如可以在各个要编码的信道之间设置等距的相位偏移。

根据一种实施方式，在使用以下速度偏移δv的情况下形成预先确定的速度周期：

在此，f0是平均发送频率，c是光速，tr2e是一个序列的两个彼此相继的斜坡之间的时间间隔，ntx是发送天线的数目，s_快是斜坡的斜坡斜率，并且，s_慢是斜坡序列的斜坡中心频率的斜率。

根据雷达传感器的一种实施方式，接收天线包括在空间上分离的多个天线元件。因此，雷达传感器形成具有多个发送和接收信道的所谓的mimo(多输入多输出)系统。

上述的构型和扩展方案可以——只要有意义——任意地彼此组合。本发明的另外的构型、扩展方案和实现也包括本发明的先前或以下关于实施例描述的特征的未明确提及的组合。在此，本领域技术人员也将添加各个方面作为对本发明的相应的基本形式的改进或补充。

附图说明

以下根据在附图的示意图中说明的实施例进一步阐述本发明。在此示出：

图1示出根据一种实施方式的一种用于确定雷达目标的相对速度的系统的示意图；

图2示出一种实施方式所基于的发送信号的时间/频率图的示意图；以及

图3示出根据一种实施方式的方法所基于的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出一种具有fmcw雷达传感器10的系统的示意图，所述fmcw雷达传感器在该示例中仅仅具有两个发送天线元件12-1、12-2和两个接收天线元件14-1、14-2。在实际情况中，更多数目的天线元件是可能的。尤其多于两个发送天线元件12-1、12-2和/或一个或多个接收天线元件14-1、14-2是可能的。雷达传感器10可以例如在机动车中安装在前面并且设置用于测量对象18的间距d、角度和相对速度v。

为了更简单地理解，在此示出一种双基天线系统，在所述双基天线系统中，发送天线元件12-1、12-2与接收天线元件14-1、14-2不同。在实际情况中，也可以使用单基天线方案，在所述单基天线方案中，对于发送和接收使用相同的天线元件。

发送天线元件12-1、12-2由信号发生设备11馈电。在该信号发生装置11中产生发送信号，该发生信号在下面还将进一步阐述。在将发送信号输送给发送天线元件12-1、12-2之前，可以对于每个发送天线元件12-1、12-2单独地调制发送信号的相位。

为了能够在进一步处理中将发送信号分配给发送天线元件12-1、12-2，例如类噪声的或谐波的码是可能的。在在此示出的实施例中，将谐波码用于发送信号的相位调制。在此，“谐波”意味着，相位调制描述离散的谐波振荡。作为谐波码例如谐波地实现，例如1，1，1，...；1，-1，1，-1，...；或1，j，-1，-j，1，...或另外的谐波频率。

将经相位调制的发送信号输送给相应的发送天线元件12-1、12-2，从而由每个发送天线元件12-1、12-2发送相应的雷达信号。

所发送的雷达信号在对象18上反射并且接下来由接收天线元件14-1、14-2接收。发送天线元件12-1、12-2和接收天线元件14-1、14-2可以分别类似地构造并且在这种情况下具有一致的视域。发送和接收天线元件12-1、12-2、14-1、14-2例如可以分别由贴片(patch)-天线阵列组成。

将所接收的信号向下混频成基带信号并且在分析处理单元13中对其进行分析处理。在雷达测量内，可以以上升的或下降的斜坡的序列对发送信号的频率进行调制。

天线元件12-1、12-2、14-1、14-2可以在以下方向上布置在不同位置中：在所述方向上，雷达传感器10是角度分辨的。为此，尤其需要多个接收天线元件14-1、14-2，所述多个接收天线元件以均匀的间距布置在直线上(ula，英语uniformlineararray：均匀线性阵列)。同样的也适用于发送天线元件12-1、12-2，其中，发送和接收天线元件12-1、12-2、14-1、14-2不一定必须布置在相同的直线上。如果雷达传感器10将会用于测量对象的方位角，则在其上布置有天线元件的直线水平地延伸。反之，在用于测量俯仰角的传感器的情况下，天线元件将布置在垂直的直线上。也可以考虑二维的天线阵列，借助该二维的天线阵列不仅可以测量方位角而且可以测量俯仰角。

图2示出在时间t上绘出的发送信号30的频率的图。在测量时，借助每个发送天线元件12-1、12-2发送两个序列的具有相同的斜坡参数的斜坡，所述两个序列在时间上彼此交错。在此如先前描述的那样，各个发送天线元件12-1、12-2的发送信号的相位基于谐波码进行相位调制。用于各个天线元件12-1和12-2的发送信号的相位在图2中以和表示。

第一序列31的斜坡在图2中以实线示出，而第二序列32的斜坡以虚线示出。斜坡所属的序列的号码以i表示，并且，该序列内的斜坡的相应的斜坡索引以j表示。

第二序列32的斜坡分别相对于第一序列31的斜坡以相同的斜坡索引j移位时间偏移t12。在每个序列31、32内，彼此相继的斜坡彼此移位时间间距tr2r。因此，时间间距tr2r对于两个序列是相同的。此外，在一个序列的两个彼此相继的斜坡之间分别存在间歇p。

在图2示出的示例中，在序列31、32内彼此相继的斜坡的斜坡中心频率的差等于零。因此，所有斜坡都具有相同的频率变化过程。在此，斜坡中心频率相应于平均的发送频率f0。此外，斜坡的斜坡中心频率也可以在斜坡的发送期间上升或下降。在一个斜坡序列内彼此相继的斜坡例如可以具有斜坡中心频率的相同的差。在斜坡序列31、32的持续时间t_慢和在整个序列期间的斜坡中心频率的频率变化范围(frequenzhub)f_慢的情况下，可以通过s_慢＝f_慢/t_慢来描述斜坡中心频率的斜坡斜率s_慢。

尤其，具有相同的斜坡索引j的斜坡在彼此交错的斜坡中分别可以具有相同的斜坡斜率s_慢和相同的斜坡中心频率。

为了进一步分析处理，将由接收天线元件14-1、14-2接收的信号借助由信号发生设备11产生的发送信号向下混频到基带上并且在分析处理设备13中对其进一步处理。在此，由基带信号计算出二维谱。为此，基带信号分别经受二维的傅立叶变换，例如2d-fft。第一维度相应于对于各个斜坡获得的基带信号的变换。第二维度相应于通过斜坡的序列、即通过斜坡索引j的变换。优选地，相应的变换的大小——即窗口(bin)(采样点或节点(stützstelle))的相应的数目——对于第一维度和第二维度的所有谱分别是统一的。

基于雷达目标的相对速度v和相应于各个序列的斜坡的部分测量之间的时间偏移t12，在两个部分测量之间出现相位差。以c为光速和以f0为平均的发送频率，相位差通过以下等式来表示：

在此，作为在两个二维谱中在相同位置处出现的峰的复振幅(谱值)之间的相位差获得两个部分测量之间的相位差。然而，由于在两个序列31、32的彼此相对应的斜坡之间的相对大的时间偏移t12，两个部分测量之间的相位差的确定不允许直接推断出相对速度v。因为基于相位的周期性，对于单个相位差得出对于相对速度v的所属的值的多义性。

由所获得的二维复谱分别通过形成相应的谱值的绝对量值的平方来计算功率谱。两个功率谱通过求和或求平均逐点地合并成积分的二维功率谱。

雷达目标的位置相应于所计算出的功率谱中的峰。该位置以下作为窗口k、l来说明。该位置相应于各个谱中的峰的位置。由第一维度、相应于峰的位置的窗口k根据fmcw等式k＝2/c(df+f0vt)获得雷达目标的相对速度v和间距d之间的线性关系。在此，c是光速，f是斜坡变化范围，t是序列31、32的一个中的单个斜坡的斜坡持续时间，并且，f0是平均发送频率。当一个序列的彼此相继的斜坡的频率差等于零时，第二维度l中的峰的位置仅仅包含关于雷达目标的相对速度v的信息。

在雷达对象的相对速度v与雷达对象的间距d之间存在线性关系。因为通过相对大的时间间距tr2r而对由具有速度v的相对运动引起的多普勒频率未明确唯一地进行采样，所以由多普勒频率的采样获得的关于雷达目标的相对速度v的信息具有多义性，这可以通过以下等式来描述：

δv＝c/(2·f0·tr2r)。

除了速度v与根据频率窗口k得出的间距d之间的线性关系外，由频率窗口l引起可能的相对速度v的周期值。

为了解决所考虑的速度的多义性，共同地考虑相对速度v的周期值与部分测量的复数的二维谱。为了分析处理所测量的相位差，根据以下等式根据相对速度v(t)来计算理想的测量的控制矢量a(v)：

该等式在此对于两个序列是：

相应地定义测量矢量a_m，其中，代替所预期的速度相关的复数值，将部分测量的所计算出的二维谱的峰的位置处的复振幅(谱值)用作矢量的分量：

基于测量矢量a_m和控制矢量a(v)将以相对速度谱s(v)形式的归一化似然函数定义为：

在此，测量矢量a_m的上标h表示相对于测量矢量a_m的埃尔米特(hermetisch)伴随矢量，即行矢量，其中，各个分量与矢量am的分量复共轭。

在相对速度v上绘出的相对速度谱s(v)得出正弦似然函数，该正弦似然函数的最大值相应于参数v的最可能的值。单独地假设，相对速度谱s(v)是多义的。在最大值1的情况下的最大值分别相应于对于所涉及的相对速度v得出的理想的相位移位与根据测量矢量的所测量的相位移位的最佳的一致性。

然而，仅仅在以下位置处需要进行函数s(v)的分析处理：所述位置相应于由根据窗口(k，l)中的峰的位置的分析处理已经获得的相对速度v的周期值。因此，由峰的位置得出的多义性可以通过相位关系中的附加信息来解决。根据线性关系确定属于相对速度v的所选择的估计值的、间距d的估计值。

首先分开地处理相应于不同序列的斜坡的时间信号(基带信号)。在通过非相干积分获得的功率谱中进行雷达目标的探测。然后探测和基于在峰位置处的复振幅来解决速度v的多义性。

以上的实施涉及在没有将码分复用用于不同的发送天线12-1和12-2的情况下的传统的雷达分析处理。此外，以谐波码对各个发送天线12-1和12-2的发送信号进行相位编码也导致同样要解决的附加的多义性。在码分复用的情况下，具有相应的码分配的发送器经历谱的第二维度中的峰的移位。这导致：对于ntx个发送器得出谱中的ntx个峰。同样必须解决该附加的多义性。

基于发送信号的谐波相位调制，发送器移位等效于多普勒维度中的窗口移位。该窗口移位等效于所考虑的相对速度的经修改的估计v*：

其中，通过γ的整数值考虑dv空间的多义性。

在ntx个发送器的情况下具有谐波码的一种优选的实施方式中，发送器偏移相应于δ＝n_慢/ntx的l窗口偏移

因此，对于速度估计得出偏移：

因此，速度偏移等效于多普勒中的欠采样(unterabtastung)，或者换句话说，通过发送器“填充”所分析处理的相对速度之间的间距。

为了确定雷达对象的相对速度，现在也必须基于码分复用来评估这些附加的多义性。

所描述的方法也可以扩展用于借助雷达传感器的多个接收信道来实施雷达测量。然后对于每个接收信道信道对于第n个信道获得测量矢量a_m(n)。

图3示出根据一种实施方式的一种用于确定雷达目标的相对速度的方法的流程图的示意图。在步骤s1中，借助发送天线元件(12-1，12-2)发送经相位调制的发送信号。这些发送信号包括如先前已经描述那样的彼此交错的序列31、32的斜坡。对于各个发送天线12-1、12-2，基于谐波码对发送信号进行相位调制。

接下来在步骤s2中，接收对所发送的经相位调制的发送信号的响应信号。在步骤s3中，例如通过所接收的响应信号的基带信号的二维傅里叶变换来计算发送信号的每个序列的二维谱。所述变换在第一维度中逐斜坡地进行并且在第二维度中通过斜坡索引进行，该斜坡索引对序列内的斜坡进行计数。在步骤s4中，计算雷达目标的相对速度值，所述相对速度值从所计算出的二维谱的一个中的峰出发以预先确定的速度周期呈周期性。在此，周期性尤其考虑基于发送信号的码分复用而引起的附加的多义性。

在步骤s5中，辨识在相同的位置处二维谱的值之间的相位关系与相对速度的所求取的值中的多个的可预期的相位关系的一致性。最后在步骤s6中，基于相位关系的所辨识出的一致性来选择雷达目标的相对速度的估计值。

在步骤s7中，可以实现将响应信号分配给多个发送天线中的一个。在将发送和接收的信号分配给发送和接收天线12-1、12-2、14-1、142后，可以执行对所探测到的雷达对象进行角度估计。

总之，本发明涉及借助雷达传感器对对象进行速度估计。借助多个发送天线来发送频率多个彼此交错的序列的斜坡。在此，对于每个发送天线，借助谐波码进行单独的相位编码。为了估计对象的速度，必须解决基于码分复用引起的多义性。